1. UN PASEO POR
USB 2.0
Soporte Técnico OEM
FUJITSU ESPAÑA
Marzo de 2003

2. Un paseo por USB 2.0
INDICE
Referencias
Introducción
Interfaz Eléctrico
Concentradores (Hubs)
Identificación de la velocidad
Tramas y microtramas
Endpoints High-Speed y High Bandwidth
Protocolo I: Paquetes y Transacciones
• Paquete de Token SOF y Número de Microtrama
• Paquetes de Datos
• Paquete de Handshake NYET
• Paquete Especial de Handshake ERR
• Paquetes Especiales de Token para Transacciones Split
• Paquete Especial de Token PING para Control de Flujo
Protocolo II: Pipes y Transferencias
• Transferencias de Control
• Transferencias Isócronas
• Transferencias de Interrupción
• Transferencias Bulk
ANEXOS
• Resumen de tipos y características de Pipes y Transferencias.
• Descomposición de las Transferencias en Transacciones y Paquetes.
• Estructura de los Paquetes.
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3. Un paseo por USB 2.0
Referencias
• Especificación de Bus Serie Universal Revisión 1.1. Compaq, Intel, Microsoft y NEC. 23 de Septiembre
de 1998.
• Especificación de Bus Serie Universal Revisión 2.0. Comp aq, Hewlett-Packard, Intel, Lucent, Microsoft,
NEC y Philips. 27 de Abril de 2000.
• Un paseo por USB-1. Soporte Técnico OEM, Fujitsu España. 27 de Marzo de 2000
Introducción
La norma USB 1.1 definía dos modos de transferencia a 12 Mbps (full-speed) y a 1,5 Mbps (low-speed).
USB 2.0 añade un nuevo modo a 480 Mbps, denominado high-speed.
Los dispositivos high-speed también soportan una mínima funcionalidad en modo full-speed, de forma que
cuando se conectan a un puerto que está trabajando en modo full-speed, pueden (al menos):
• Detectar y procesar el reset, y
• Aceptar, procesar y responder adecuadamente a las funciones estándar de asignación de dirección y de
configuración, así como a las de lectura de la información descriptiva del dispositivo y de sus posibles
configuraciones (descriptores).
Esta funcionalidad mínima permite que el sistema pueda detectar, identificar y configurar a los dispositivos
high-speed aunque se conecten a puertos full-speed. El dispositivo high-speed puede o puede no soportar su
total funcionalidad cuando trabaja en modo full-speed.
Por su parte, los concentradores high-speed soportan en sus puertos downstream los tres modos de
funcionamiento (low, full y high-speed), de manera que admiten la conexión de cualquier dispositivo o
concentrador USB 1.x y USB 2.0. Asimismo, soportan en sus puertos upstream los modos full y high-speed,
de manera que se pueden conectar a cualquier concentrador o controlador USB 1.x o USB 2.0. Esto quiere
decir que en un mismo sistema USB pueden coexistir dispositivos y concentradores USB 1.x y USB 2.0
(Low, Full y High Speed).
Interfaz Eléctrico
Para transmitir en modo high-speed, el transmisor activa una fuente de corriente interna, derivada a partir de
su fuente de alimentación positiva, y dirige dicha corriente hacia una de las dos líneas de datos por medio de
un conmutador de corriente de alta velocidad. De esta manera, el transmisor genera los estados J y K high-
speed en el cable.
Esta conmutación dinámica de corriente sobre ambas líneas de datos D+ y D-, sigue las mismas reglas de
codificación NRZI y de inserción de bit (bit-stuffing) ya utilizadas en los modos full-speed y low-speed El
estado J se obtiene dirigiendo la corriente sobre la línea D+, mientras que el estado K se obtiene dirigiendo la
corriente sobre la línea D-.
En modo high-speed, tanto el transmisor como el receptor activan unas resistencias de terminación entre cada
línea y masa (45 Ohms +/- 10 %), de forma que el valor nominal de la corriente (17,78 mA) produce un
voltaje nominal en la línea de 400 mV. El voltaje diferencial nominal (D+ - D-) es, por lo tanto, de +400 mV
para el estado J y de – 400 mV para el estado K.
Concentradores (Hubs)
Al igual que en USB 1.x, los concentradores siguen siendo el elemento clave sobre el que se construye el bus
USB, y los concentradores USB 2.0 tienen mucho que ver con algunas de las mejoras introducidas en USB
2.0.
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4. Un paseo por USB 2.0
Los concentradores y controladores de host USB 2.0 incorporan una nueva funcionalidad (respecto a los
concentradores USB 1.x) que consigue un uso mucho más óptimo del bus cuando se conectan dispositivos de
velocidad inferior a la máxima. Para entenderlo mejor, vamos a compararlo con el caso de un bus USB 1.x:
• En un bus USB 1.x (full-speed), el tráfico entre el host y los dispositivos low-speed se produce a
velocidad low-speed. Es decir, tanto el host como todos los concentradores intermedios transmiten en
modo low-speed. Esto quiere decir que todo el bus está ocupado durante todo el tiempo que dura la
transmisión low-speed (1 bit a velocidad low-speed ocupa el bus durante un tiempo equivalente a 8 bits a
velocidad full-speed). Esto supone una gran penalización en el ancho de banda disponible para los
dispositivos full-speed.
• En un bus USB 2.0 (high-speed), el host y todos los concentradores USB 2.0 intermedios transmiten
siempre en modo high-speed, y sólo el tráfico entre el dispositivo full o low-speed y el concentrador
USB 2.0 al que está conectado se produce a velocidad full o low-speed. De esta manera se pueden
solapar las transferencias full y low-speed con transferencias high-speed con otros disositivos, lo que
minimiza el impacto que las transmisiones a velocidades full y low-speed tienen sobre el ancho de banda
disponible para los dispositivos high-speed.
Para ello, los concentradores USB 2.0 disponen de un nuevo elemento: el Traductor de Transacciones (TT).
En total, un concentrador USB 2.0 se compone de:
• Un Controlador. Permite la comunicación con el host, de forma que el host puede configurar el
concentrador y monitorizar y contolar sus puertos.
• Un Repetidor. Es un conmutador entre los puertos upstream y downstream, que se utiliza como repetidor
de paquetes cuando la velocidad en ambos lados es la misma (ya sea high, full o low-speed).
• Uno (mono-TT) o varios (multi-TT) Traductores de Transacciones. Se usan para “traducir” las
transacciones high-speed a transacciones full o low-speed. Se puede decir que el concentrador mantiene
aislados los segmentos del bus que usan full y low-speed de aquellos otros segmentos donde sólo se
transmite en high-speed.
De esta manera, cada concentrador USB 2.0 funcionando en modo high-speed, básicamente añade uno o más
buses USB 1.x (full/low-speed), disponiendo cada uno de ellos de sus 12 Mbps de ancho de banda:
• Un concentrador mono-TT sólo dispone de un “traductor” común para todos los puertos, por lo que
todos los dispositivos full/low-speed conectados a dicho concentrador comparten un ancho de banda de
12 Mbps (el TT sirve a todos ellos pero de uno en uno).
• Un concentrador multi-TT dispone de un “traductor” para cada puerto, por lo que cada dispositivo
full/low-speed conectado al mismo, dispone de un ancho de banda de 12 Mbps (los distintos TTs pueden
trabajar en paralelo, lo que permite efectivamente tráfico en paralelo en todos los puertos full/low-
speed).
Arriba se ha dicho “cada concentrador USB 2.0 funcionando en modo high-speed”. Hay que hacer esta
puntualización porque un concentrador USB 2.0 conectado a un puerto USB 1.x no funciona en modo high-
speed, sinó en modo full-speed. En este caso no se hace nunca uso del TT (ya que no hay transacciones high-
speed que traducir), y el concentrador USB 2.0 se comporta igual que si fuera USB 1.x (full-speed):
• Un concentrador USB 2.0 conectado a un puerto high-speed, siempre se comunica en mo do high-speed
en su puerto upstream, mientras que permite la conectividad en sus puertos downstream tanto de
dispositivos high-speed (a través del repetidor), como de dispositivos full/low-speed (a través del o de
los TTs).
• Un concentrador USB 2.0 conectado a un puerto full-speed, siempre se comunica en modo full-speed en
su puerto upstream, y deshabilita el modo high-speed en todos sus puertos downstream. Quiere decir que
los dispositivos high-speed conectados a este concentrador van a funcionar en modo full-speed. En este
caso, las transferencias siempre se canalizan a través del repetidor, que se comporta como un repetidor
USB 1.x (full/low-speed).
A consecuencia de todo esto, los dispositivos y concentradores high-speed:
• Se comportan como dispositivos high-speed si se conectan a puertos high-speed.
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• Se comportan como dispositivos full-speed si se conectan a un puerto USB 1.x o bien a un concentrador
USB 2.0 que tenga deshabilitado el modo high-speed (típicamente es el caso cuando el concentrador
USB 2.0 está conectado a un puerto USB 1.x).
Identificación de la velocidad
Los dispositivos USB 1.x identifican su velocidad eléctricamente, mediante una resistencia de pull-up en la
línea D+ (full-speed) o D- (low-speed).
En cambio los dispositivos high-speed se identifican en principio como full-speed (mediante un pull-up en la
línea D+), y durante el proceso de reset ejecutan un protocolo de bajo nivel (determinadas secuencias de
señales eléctricas de niveles especiales) a través del cuál determinan si están conectados a un puerto full-
speed o high-speed. Si el puerto es high-speed, detectará y responderá al protocolo iniciado por el
dispositivo. Sólo si el concentrador y el dispositivo ejecutan el protocolo, se establece una comunicación
high-speed entre ellos.
Tramas y microtramas
USB 1.x dividía el tiempo en tramas de 1 milisegundo. Adicionalmente, USB 2.0 define un tiempo de
microtrama de 125 microsegundos.
Al igual que en USB 1.x se reservan ciertos porcentajes del tiempo de trama, para dar servicio a las distintas
transacciones de Control, Interrupción e Isócronas full/low-speed, en USB 2.0 también se reservan ciertos
porcentajes del tiempo de microtrama, para dar servicio a los distintos tipos de transacciones high-speed.
Endpoints High-Speed y High Bandwidth
En USB 1.x, el tiempo máximo reservado en cada trama a cada endpoint Isócrono o de Interrupción es el de
una transacción por trama.
USB 2.0 soporta dos tipos de endpoints Isócronos y de Interrupción:
• Endpoints de ancho de banda normal, que precisan hasta 1,024 bytes por microtrama (una transacción), y
• Endpoints de alto ancho de banda (High Bandwidth), que precisan más de 1,024 bytes por microtrama,
hasta un máximo de 3,072 bytes (3 transacciones).
Protocolo I: Paquetes y Transacciones
USB 2.0 mantiene la arquitectura centralizada definida en USB 1.x, en la que el host es el iniciador de todas
las transferencias que se producen en el bus. Los dispositivos deben mantenerse a la espera hasta recibir del
host un paquete especial (token) dirigido a él, indicando el tipo de transferencia a realizar.
USB 2.0 también mantiene la estructura de la transacción, formada en base a la secuencia de paquetes Token-
Data-Handshake, definida en USB 1.x. Básicamente USB 2.0 añade algunos tipos de paquetes nuevos, para
implementar las nuevas funciones y protocolos que se han incorporado.
En el grupo de paquetes de Token, siguen existiendo los definidos en USB 1.x (IN, OUT, SOF y SETUP),
aunque USB 2.0 reutiliza el tipo SOF:
• USB 1.x utiliza el token SOF para indicar el Principio de Trama (una vez cada milisegundo). USB 2.0
usa este mismo token para indicar el Principio de Microtrama (una vez cada 125 microsegundos).
En el grupo de paquetes de Datos, aparte de los dos tipos definidos en USB 1.x (DATA0 y DATA1), USB
2.0 define dos nuevos tipos:
• DATA2, empleado en transacciones isócronas high-speed high-bandwidth, y
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• MDATA, empleado en transacciones isócronas high-speed high-bandwidth y en transacciones Split (las
transacciones se describen más adelante)..
En el grupo de paquetes de Handshake, aparte de los tres tipos definidos en USB 1.x (ACK, NAK y STALL),
USB 2.0 define un nuevo paquete:
• NYET, significa “Not YET” (todavía no), y se emplea en los protocolos Split y de control de flujo
PING.
Por último, en el grupo de paquetes Especial, USB 2.0 define tres nuevos tipos de paquetes, reutilizando uno
de ellos (ERR) el código asignado por USB 1.x al paquete especial PRE. Se recuerda aquí la descripción del
paquete PRE, para mostrar que no hay posibilidad de error en cuanto a que un mismo código identifique a
dos paquetes distintos:
• PRE (Preámbulo): Definido en USB 1.x para indicar que a continuación se va a transmitir en modo low-
speed. Sólo lo puede transmitir un host USB 1.x (en modo full-speed) inmediatamente antes del campo
de token de la transacción low-speed.
• ERR (Error): Se usa para indicar errores en transacciones Split high-speed. Reutiliza el código del tipo
de paquete PRE. Sólo lo puede transmitir un concentrador USB 2.0 (en modo high-speed) en el campo
de handshake de una transacción Split.
• SPLIT: Lo transmite el host en el campo de token de una transacción Split.
• PING: Lo transmite el host en el campo de token de una transacción de control de flujo PING.
• Paquete de Token SOF y Número de Microtrama
En USB 1.x, el número de la trama es un campo de 11 bits que el host incrementa una vez por trama, y que
envía sólo en el paquete SOF (Start-Of-Frame) al principio de cada trama.
USB 2.0 utiliza este mismo campo para indicar el número de microtrama. En este caso, el host no envía todos
los bits del número de microtrama (14 bits), sinó solamente los 11 bits más altos. Como cada trama (1 ms)
contiene 8 microtramas (125 us), el efecto de lo anterior es que el host USB 2.0 envía durante 8 microtramas
consecutivas un paquete SOF con el mismo número de trama. Los dispositivos full-speed reciben un paquete
SOF cada milisegundo con un número de trama secuencial. Los dispositivos high-speed reciben un paquete
SOF cada 125 microsegundos, pero con el mismo número de trama en cada grupo de 8 consecutivos.
Los dispositivos high-speed que necesiten llevar un control del número de microtrama, pueden detectar
cuándo un paquete SOF tiene un número de trama distinto del anterior, e iniciar un contador interno de
microtrama (de 3 bits) a 0. Cada uno de los siguientes 7 paquetes SOF con el mismo número de trama serán
los correspondientes a las microtramas 1 a 7.
• Paquetes de Datos
USB 2.0 sigue haciendo un uso de los paquetes DATA0 y DATA1, como parte del mecanismo de detección
de errores Data Toggle en los casos definidos en USB 1.x; adicionalmente USB 2.0 define los nuevos
paquetes DATA2 y MDATA, de nuevo con la función de detección de errores en los nuevos casos definidos
en USB 2.0. El uso de los paquetes de datos en los nuevos casos definidos en USB 2.0 es:
• Las transacciones de Interrupción high-speed high bandwidth realizadas en la misma microtrama, hacen
uso del mecanismo Data Toggle (uso alternativo de paquetes DATA0 y DATA1).
• En transacciones Isócronas-IN high-speed high-bandwidth, el dispositivo envía los datos utilizando las
siguientes secuencias de paquetes:
o En el caso de 1 transacción por microtrama, se usa el paquete DATA0.
o En el caso de 2 transacciones por microtrama, se usa la secuencia de paquetes DATA1-DATA0,
y
o En el caso de 3 transacciones por microtrama, se usa la secuencia de paquetes DATA2-
DATA1-DATA0.
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• En transacciones Isócronas-OUT high-speed high-bandwidth, el host envía los datos utilizando las
siguientes secuencias de paquetes:
o En el caso de 1 transacción por microtrama, se usa el paquete DATA0.
o En el caso de 2 transacciones por microtrama, se usa la secuencia de paquetes MDATA-
DATA1, y
o En el caso de 3 transacciones por microtrama, se usa la secuencia de paquetes MDATA-
MDATA-DATA2.
• En transacciones Start-Split de Interrupción-OUT, el host alterna los paquetes DATA0 y DATA1 en la
manera habitual (data toggle).
• En transacciones Complete-Split de Interrupción-IN, el concentrador también alterna los paquetes
DATA0 y DATA1, siempre que la transacción en el bus full/low-speed se haya completado durante una
microtrama. Cuando se da el caso de que la transacción en el bus full/low-speed abarca dos microtramas,
la respuesta del concentrador en la primera transacción Complete-Split usa el paquete MDATA, para
indicar al host que faltan datos por enviar, y que debe ejecutar otra transacción Complete-Split en la
siguiente microtrama, para obtener el resto de los datos (que se transmitirán mediante un paquete
DATA0 o DATA1, según corresponda en la secuencia Data Toggle).
• En transacciones Start-Split Isócronas-OUT, el host siempre usa el paquete DATA0.
• En transacciones Complete-Split Isócronas-IN, el concentrador usa el paquete MDATA para todos los
paquetes excepto para el último, en que usa el paquete DATA0 (la transacción full-speed puede abarcar
varias microtramas, por lo que los paquetes MDATA informan al host que debe seguir enviando
transacciones Complete-Split en cada microtrama, hasta que reciba un paquete DATA0).
La máxima cantidad de información útil que se puede transferir en un paquete de datos depende de la
velocidad del dispositivo y del tipo de endpoint.
• Paquete de Handshake NYET
Se utiliza sólo en modo high-speed, y se puede transmitir en dos circunstancias:
• Lo puede transmitir un endpoint high-speed tipo Bulk-OUT o de Control, como respuesta durante el
protocolo de control de flujo PING.
• También lo puede transmitir un concentrador high-speed como respuesta a una transacción Split, cuando
el concentrador todavía no ha concluido la transacción full/low-speed con el dispositivo, o bien cuando
el concentrador no puede atender la transacción en ese momento.
• Paquete Especial de Handshake ERR
Se utiliza sólo en modo high-speed, y lo puede transmitir un concentrador high-speed en el campo de
handshake de una transacción Complete-Split, para informar de un error en la transacción full/low-speed.
• Paquetes Especiales de Token para Transacciones Split
Aparte de las transacciones definidas en USB 1.x (Control, Bulk, Interrupción e Isócronas), USB 2.0 define
las transacciones Split. Sólo los controladores de host y los concentradores USB 2.0 deben soportar este
nuevo tipo de transacción, ya que es invisible a los dispositivos.
Este tipo de transacción es el que permite la comunicación con dispositivos full/low speed conectados a
concentradores que funcionan en modo high-speed. El host comienza una transacción Split cuando envía al
concentrador, en modo high-speed, toda la información necesaria para que el concentrador ejecute ahora una
transacción full/low-speed con el dispositivo. Toda la información queda almacenada en el concentrador, en
el TT correspondiente al puerto al que está conectado el dispositivo (o en el único TT disponible si se trata de
un concentrador mono-TT). Mientras el concentrador ejecuta esta transacción con el dispositivo full/low-
speed, el bus queda libre para ejecutar nuevas transacciones high-speed con otros dispositivos.
La respuesta del dispositivo full/low-speed queda almacenada a su vez en el TT del concentrador, disponible
para cuando el host posteriormente indique al concentrador que la envíe, en modo high-speed.
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USB 2.0 define el token especial SPLIT para llevar a cabo las transacciones Split. Este es el único paquete de
token de 4 bytes, a diferencia de los paquetes de token normales de 3 bytes.
USB 2.0 define dos transacciones Split que hacen uso del token especial SPLIT:
• Start Split: La utiliza el host para enviar al concentrador, en modo high-speed, toda la información
necesaria para que el concentrador ejecute ahora una transacción full/low-speed con el dispositivo.
• Complete Split: La utiliza el host para leer del concentrador, en modo high-speed, la respuesta del
dispositivo full/low-speed.
Un campo en el propio paquete SPLIT identifica el tipo de transacción.
• Paquete Especial de Token PING para Control de Flujo
Un caso bastante frecuente y que produce una gran pérdida de ancho de banda útil en un bus USB 1.x, se da
cuando los dispositivos full/low-speed contienen endpoints tipo Bulk-OUT y de Control que necesitan un
tiempo para procesar los datos recibidos, de forma que no pueden momentáneamente recibir nuevos datos
hasta que se desocupe el buffer de recepción.
En USB 1.x, esta situación la controla el dispositivo devolviendo un handshake NAK en la transacción OUT
en la que el host ha transmitido un nuevo paquete de datos. Este handshake indica que el dispositivo no ha
podido recibir los datos porque no tiene espacio suficiente en su buffer de recepción, y el host debe reintentar
la transmisión posteriormente. Desafortunadamente, para cuando el dispositivo informa que no tiene espacio,
la mayor parte del tiempo de la transacción ya se ha consumido, ya que el paquete de datos se ha transferido
íntegramente. Esto produce una pobre utilización del bus cuando se suceden múltiples transacciones OUT
con respuesta negativa (NAK) por parte del dispostitivo.
USB 2.0 define un nuevo protocolo de control de flujo más eficiente, denominado PING, que debe ser
utilizado por los endpoints de tipo Bulk-OUT y de Control. Los endpoints de Control deben soportar este
protocolo en las fases de Datos y de Estado, pero no en la fase de Setup. Este nuevo protocolo evita la
transmisión de paquetes de datos hasta que el host sabe que el dispositivo puede aceptarlos.
El host pregunta al dispositivo high-speed mediante el paquete especial de token PING, y el dispositivo
puede contestar con un handshake ACK, para indicar que tiene espacio para recibir un nuevo paquete de
datos, o con un handshake NAK, para indicar que no tiene espacio. El host pregunta periódicamente
mediante paquetes PING hasta que recibe un handshake ACK, en cuyo caso procede a la transmisión del
paquete de datos.
Una vez que se produce la recepción de un paquete de datos, el dispositivo puede contestar con un handshake
ACK, para indicar la correcta recepción del paquete y que tiene espacio para el siguiente paquete, o con un
handshake NYET, para indicar la correcta recepción del paquete y que no tiene espacio para el siguiente
paquete.
El host puede seguir transmitiendo paquetes de datos en tanto que el dispositivo siga contestando con ACK.
En el momento en que el dispositivo conteste con NYET, el host debe volver al proceso de preguntar al
dispositivo mediante paquetes PING antes de enviar un nuevo paquete de datos.
Protocolo II: Pipes y Transferencias
USB 1.x define las vías de comunicación entre las aplicaciones que se ejecutan en el host (clientes) y los
distintos endpoints en los dispositivos USB (servidores), y las denomina “pipes”. Cuando un dispositivo USB
se conecta a un sistema, y el sistema lo reconoce y lo configura, el dispositivo queda organizado como un
cierto conjunto de endpoints de distintos tipos (existen 4 tipos de endpoints). Entonces el sistema establece
todas las vias de comunicación (pipes) necesarias entre el sistema y cada uno de los endpoints disponibles en
dicha configuración. El dispositivo puede implementar varias posibles configuraciones, con distintos
conjuntos de endpoints de distintos tipos en cada una de ellas. El sistema elige una cierta configuración en
función de la funcionalidad particular que se precise del dispositivo.
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Existen 4 tipos de endpoints (Bulk, Control, Interrupción e Isócrono) y 2 tipos de pipes (Control o Mensaje y
Stream). Las posibles combinaciones son:
• Pipe de Control o Mensaje. Es una vía de comunicación bidireccional entre el host y dos endpoints de
Control en un dispositivo USB. Un endpoint es de Salida y el otro es de Entrada, de forma que se pueda
establecer la comunicación bidireccional. Todos los dispositivos USB disponen de dos endpoints de
Control en la dirección 0, uno de entrada y uno de salida, de manera que el sistema siempre puede
establecer una pipe de Control con el dispositivo, incluso antes de configurarlo (se denomina Pipe de
Control por Defecto, y es la única pipe que se puede establecer antes de configurar al dispositivo). A
través de esta pipe, el sistema puede leer del dispositivo toda la información descriptiva necesaria para
enterarse del tipo de dispositivo, posibles configuraciones, protocolos que soporta, número y tipos de
endpoints que soporta en cada posible configuración, etc. Esta información descriptiva son los
Descriptores.
• Pipe Stream. Es una vía de comunicación unidireccional entre el host y un endpoint de los tipos Bulk,
Interrupción o Isócrono. Si un dispositivo necesita transferencias bidireccionales de un tipo de endpoint
concreto, el sistema debe establecer dos pipes, una de salida (con un endpoint de salida) y otra de entrada
(con un endpoint de entrada).
Las diferencias básicas entre las transferencias USB 1.x y USB 2.0 son:
• Tamaños máximos de los paquetes de datos en cada tipo de transferencia, y
• Reserva de tiempo de microtrama para las transferencias de Control, de Interrupción e Isócronas.
• Transferencias de Control
Las transferencias de Control proporcionan control de flujo y una entrega de datos garantizada y libre de
errores.
Todos los dispositivos full, high y low-speed pueden incorporar endpoints de Control, y por lo tanto pueden
hacer uso de las transferencias de Control. Todos implementan, al menos, un endpoint de salida y uno de
entrada en la dirección 0, para poder establecer la Pipe de Control por Defecto.
Las transferencias de Control se componen de 3 transacciones denominadas Setup-Dato-Estado. Los tamaños
máximos del paquete de datos durante la transacción de datos son:
• Full-speed: 8, 16, 32, ó 64 bytes
• High-speed: 64 bytes
• Low-speed: 8 bytes.
USB hace una gestión “best effort” para ir dando curso a las distintas transferencias de Control pendientes en
cada mo mento en todas las pipes de Control establecidas con todos los dispositivos. Para ello se hace la
siguiente reserva del tiempo de trama o microtrama:
• En un bus full/low-speed, la reserva es del 10% del tiempo de trama.
• En un bus high-speed, la reserva es del 20% del tiempo de microtrama.
Las reglas definidas por USB para el envío de las transferencias pendientes son:
• Si el tiempo de trama o microtrama utilizado por las transferencias de Control pendientes es inferior al
reservado, el tiempo restante puede utilizarse para transferencias Bulk.
• Si hay más transferencias de Control pendientes que tiempo reservado, pero hay tiempo adicional en la
trama o microtrama no consumido por transferencias de Interrupción o Isócronas, entonces el host puede
utilizar dicho tiempo adicional para enviar nuevas transferencias de Control.
• Si hay más transferencias de Control pendientes que tiempo disponible en una trama o microtrama, el
host selecciona cuáles se procesan, quedando el resto pendientes para una próxima trama o microtrama.
Los endpoints de Control high-speed soportan el protocolo de control de flujo PING en las transacciones de
Dato y Estado de salida.
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• Transferencias Isócronas
Las transferencias Isócronas están diseñadas para soportar aquellos dispositivos que precisan una entrega de
datos a velocidad constante, y en la que no importa la pérdida eventual de información. Esto es necesario
para aplicaciones en que la información de tiempo va implícita en la propia velocidad de
transmisión/recepción de datos (is ocronismo).
Para ello, las transferencias Isócronas proporcionan:
• Ancho de banda garantizado
• Latencia limitada
• Velocidad de transferencia de datos constante garantizada a través de la pipe
• En caso de error en la entrega, no se reintenta la transmisión
• Sin control de flujo
Sólo los dispositivos high y full-speed pueden incorporar endpoints Isócronos.
Las transferencias Isócronas se componen sólo de transacciones de datos. Las frecuencias y los tamaños de
los paquetes de datos son:
• Full-speed: 1 transacción por trama de hasta 1,023 bytes.
• High-speed: 1 transacción por microtrama de hasta 1,024 bytes.
• High-speed high-bandwidth: 2 ó 3 transacciones por microtrama de hasta 1,024 bytes cada una.
La gestión que hace USB para garantizar las transferencias es la de establecer o no la pipe en función de que
haya suficiente tiempo libre de trama o microtrama para realizarlas. Para ello, los endpoints Isócronos
indican qué cantidad de información como máximo debe transferir la pipe en cada trama o microtrama, de
forma que el sistema USB puede calcular si hay suficiente tiempo o no para acomodar la pipe, y en función
de eso la establece o no.
La reserva de tiempo de trama o microtrama para acomodar transferencias Isócronas y de Interrupción es
como máximo el tiempo no reservado para transferencias de Control. El sistema USB puede ir estableciendo
pipes Isócronas y de Interrupción con distintos dispositivos hasta agotar dicha reserva:
• Full-speed: Hasta un 90% del tiempo de trama.
• High-Speed: Hasta un 80 % del tiempo de microtrama.
• Transferencias de Interrupción
Las transferencias de Interrupción están diseñadas para soportar aquellos dispositivos que precisan enviar o
recibir datos de manera no frecuente, pero con ciertos límites de latencia.
Para ello, las transferencias de Interrupción proporcionan:
• Tiempo máximo de servicio (latencia) garantizado
• Reintento de transferencia en el siguiente periodo, en caso de eventual fallo en la entrega.
Todos los dispositivos high, full y low-speed pueden incorporar endpoints de Interrupción.
Las transferencias de Interrupción se componen sólo de transacciones de datos. Los tamaños de los paquetes
de datos son:
• Low-speed: hasta 8 bytes.
• Full-speed: hasta 64 bytes.
• High-speed: hasta 1,024 bytes.
• High-speed high-bandwidth: 2 ó 3 transacciones por microtrama de hasta 1,024 bytes cada una.
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11. Un paseo por USB 2.0
La gestión que hace USB para garantizar las transferencias es la de establecer o no la pipe en función de que
haya suficiente tiempo libre de trama o microtrama para realizarlas. Para ello, los endpoints de Interrupción
indican qué cantidad de información como máximo debe transferir la pipe en cada transacción, así como el
tiempo máximo entre transacciones, de forma que el sistema USB puede calcular si hay suficiente tiempo o
no para acomodar la pipe, y en función de eso la establece o no.
El tiempo máximo entre transacciones (tiempo de latencia máximo) especificado por cada dispositivo puede
ser:
• Low-speed: de 10 a 255 ms
• Full-speed: de 1 a 255 ms
• High-speed: de 125 us a 4´096 seg.
La reserva de tiempo de trama o microtrama para acomodar transferencias Isócronas y de Interrupción es
como máximo el tiempo no reservado para transferencias de Control. El sistema USB puede ir estableciendo
pipes Isócronas y de Interrupción con distintos dispositivos hasta agotar dicha reserva:
• Full y Low-speed: Hasta un 90% del tiempo de trama.
• High-Speed: Hasta un 80 % del tiempo de microtrama.
• Transferencias Bulk
Las transferencias Bulk están diseñadas para soportar aquellos dispositivos que precisan enviar o recibir
grandes cantidades de datos, con latencias que pueden tener amplias variaciones, y en que las transacciones
pueden utilizar cualquier ancho de banda disponible.
Para ello, las transferencias Bulk proporcionan:
• Acceso al bus en función del ancho de banda disponible.
• Reintento de transferencias en caso de errores de entrega.
• Entrega garantizada de datos, pero sin garantía de latencia máxima ni de ancho de banda.
Las transferencias Bulk se realizan relativamente rápidas si el bus dispone de mucho ancho de banda libre,
pero en un bus USB con mucho ancho de banda reservado, pueden alargarse durante periodos de tiempo
relativamente grandes.
Sólo los dispositivos high y full-speed pueden incorporar endpoints Bulk.
Las transferencias Bulk se componen sólo de transacciones de datos. Los tamaños de los paquetes de datos
son:
• Full-speed: 8,16, 32 y 64 bytes.
• High-speed: 512 bytes.
USB hace una gestión “good effort” para ir dando curso a las distintas transferencias pendientes en cada
momento en todas las pipes Bulk establecidas con todos los dispositivos. Las transferencias de Control
tienen preferencia sobre las Bulk, por lo que las transferencias Bulk se realizan siempre que no haya otro tipo
de transferencias que hacer en una trama o microtrama.
Los endpoints Bulk-OUT high-speed soportan el protocolo de control de flujo PING.
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12. Un paseo por USB 2.0
ANEXOS
• Resumen de tipos y características de Pipes y Transferencias.
• Descomposición de las Transferencias en Transacciones y Paquetes.
• Estructura de los Paquetes.
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13. UN PASEO POR USB-2 ANEXO
La aplicación envía una IRP (I/O Request Packet) a una Pipe: El sistema USB la ejecuta en una o más Transferencias
PIPE TRANSFERENCIA ENTREGA DISPOSITIVO PAYLOAD (bytes) CARACTERISTICAS
High Speed 64
CONTROL
Control Best Effort Full Speed 8/16/32/64
(MENSAJE)
Low Speed 8
Libre de Errores
High Speed 512
Bulk Good Effort Entrega Garantizada
Full Speed 8/16/32/64
Control de Flujo
High Speed <= 1,024 (125 us - 4 s)
Interrupción Periodo garantizado Full Speed <= 64 (1 - 255 ms)
STREAM Low Speed <= 8 (10 - 255 ms)
1, 2 ó 3 Ancho de Banda Garantizado
High Speed <= 1,024
paquetes/microtrama Latencia Limitada
Isócrona
Velocidad Constante de Datos
1 paquete/trama Full Speed <= 1,023 Sin Retransmisiones
DESCOMPOSICIÓN DE LAS TRANSFERENCIAS EN TRANSACCIONES Y PAQUETES
DESCOMPOSICIÓN DE LA TRANSACCIÓN EN PAQUETES
TRANSFERENCIA TRANSACCIÓN
TOKEN (desde Host) DATA (desde Origen de datos) HANDSHAKE (desde Destino de datos)
SET UP SETUP DATA0 desde Host ACK / Nada desde Dispositivo
DATA (opcional) IN / OUT / PING Igual que Bulk (DATA1 + toggling) Igual que Bulk
DATA1 (0 bytes) desde dispositivo = CMD Completo ACK / Nada desde HOST
CONTROL IN STALL (fallo en CMD) desde dispositivo
STATUS No existe
NAK (Ocupado) desde dispositivo
(Ver NOTA)
OUT (FS / LS) DATA1 (0 bytes) desde Host ACK / NAK / STALL / Nada desde dispositivo
PING (HS) ACK / NAK / STALL / Nada desde dispositivo No existe
DATA0/1 desde dispositivo ACK / Nada desde HOST
IN
NAK / STALL / Nada desde dispositivo No existe
BULK DATOS
OUT DATA0/1 desde Host ACK/NAK/STALL/NYET/Nada desde dispositivo
PING ACK / NAK / STALL / Nada desde dispositivo No existe
DATA0/1 desde dispositivo ACK / Nada desde HOST
IN
INTERRUPCIÓN DATOS NAK / STALL / Nada desde dispositivo No existe
OUT DATA0/1 desde Host ACK / NAK / STALL / Nada desde dispositivo
ISÓCRONA DATOS IN / OUT DATA0 /DATA1 / DATA2 / MDATA No existe
LEYENDA DE HANDSHAKE
NOTA: La transacción de STATUS se produce en la NAK = No datos para transmitir / No Interrupción ACK = Paquete OK (PID & bit stuff & CRC)
dirección contraria a la transacción DATA anterior (si no pendiente NAK = No puede aceptar datos. Host debe reenviar
existe transacción DATA, se produce en dirección IN) STALL = No puede transmitir STALL = No puede recibir
Nada = Error en PID o bit stuff o CRC en paquete recibido
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14. Un paseo por USB-2 ANEXO
ESTRUCTURA DE LOS PAQUETES
DIR DIR SPLIT Nº de
SYNC PID (Packet ID) DATA CRC EOP
dispositivo endpoint info trama
8 bits (FS/LS) 0 - 1,024 B (HS) 5 bits (Token) 2xSE0 + 1xJ (FS/LS)
4 bits PID + 11 bits
7 bits 4 bits 12 bits 0 - 1,023 B (FS) 8xJ / 8xK (HS; error bit stuff)
4 bits /PID (Timestamp)
32 bits (HS) 8 B (LS) 16 bits (Data) 40xJ / 40xK (HS SOF; error bit stuff)
TOKEN OUT X X X X
TOKEN IN X X X X
TOKEN SOF X X X
TOKEN SETUP X X X X
DATA0 X X X
DATA1 X X X
DATA2 X X X
MDATA X X X
HANDSHAKE ACK X
X HANDSHAKE NAK X
HANDSHAKE STALL X
HANDSHAKE NYET X
ESPECIAL
TOKEN PRE
ESPECIAL
X
HANDSHAKE ERR
ESPECIAL DIR
X X X
TOKEN SPLIT concentrador
ESPECIAL
X X X X
TOKEN PING
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